Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 August 2024. 390-399
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20240033

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 연구 범위 및 방법

  •   검토 모델

  •   EN 16798-13 기준 냉방 에너지 소요량 평가 방법

  •   연구 범위

  • 연구 내용 및 결과

  •   열원 온도 변화

  •   최대 냉방 부하 대비 대용량 장비 설치에 따른 영향

  •   압축기 종류 및 제어 방식에 따른 냉방 에너지 소요량 영향

  •   대수제어와 냉방 에너지 소요량 영향

  •   최적화 냉방설비 검토

  • 결 론

서 론

정부의 2050 탄소 중립 시나리오에 따라 2050년 그린 리모델링 시장이 180.4조 원까지 성장할 것으로 발표했다(Lee and Park, 2023). 이에 공공건축물에 대한 그린 리모델링 사업이 확대되고 있으며, 건축공사 부문에서는 내·외부 단열 보강, 바닥 단열 및 고성능 창호 공사가 포함되며, 기계 설비 부문에서는 폐열 회수 환기설비, 고효율 냉·난방설비, 고효율 보일러, 고효율 조명(LED), 신재생에너지 등 탄소 배출 감소를 위한 기술이 적용되고 있고, 이에 따라 자재· 설비에 대한 건물 에너지 해석 수요가 증가하고 있다. EPB (Energy Performance of Buildings)표준인 ISO 52000시리즈는 유럽표준화기구(European Committee for Standardization, CEN)등 여러 표준기구들(예: ASHRAE)과의 긴밀한 협력을 바탕으로 개발되었으며, 건물의 전반적인 에너지 평가가 가능하도록 해석 방법이 제시되어 있다. 유럽연합은 건물 에너지 성능 지침(Energy Performance of Buildings Directive, EPBD)의 국가별 시행을 지원하기위해 ISO 52000시리즈를 체택하였으며, 그중 EN 16798-13 (Module M4-8 Calculation of cooling systems-Generation)기준은 ISO 52000시리즈에서 지정한 냉방에너지소요량 계산방법이다.

냉방설비로는 에어컨, 공랭식냉동기, 수냉식냉동기 그리고 흡수식냉동기에 대한 냉방에너지소요량 계산 방법(EN 16798-13, 2017)이 제시되어 있으며, 계산 시 관련된 주요 기술 항목 및 표준값에 관한 확인이 가능하다.

국내의 경우 리트로핏 또는 그린 리모델링 시 냉방설비 기술 검토는 냉방 성능(EER, Energy Efficiency Ratio)과 제어방식(OnOff제어, 다단제어, 인버터제어 등)을 주요 항목으로, 부분부하 효율을 반영한 통합냉방효율 IEER (integrated Energy Efficiency Ratio) 또는 KS C 9306 기준에 따른 냉방 기간 에너지소비효율(Cooling Seasonal Performance Factor)을 통해 리모델링 적용 기술을 선정하고 있다. 이에 따라 국내 연구에서는 통합 냉방 효율인 냉방 계절 성능 SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio) 향상(Choi et al., 2017)연구 또는 냉방 에너지 소요량 평가 시 알고리즘 분석 없이 시뮬레이션 결과에 따른 비교(Lee et al., 2016)와 시뮬레이션 시나리오에 따른 COP변화(Cha et al., 2023)등 해석 프로그램의 결과 확인으로 국한되어 있다. 다른 방향의 연구로는 냉동기 유형에 따른 에너지 사용량 측정(Yoo and Kim, 2019)을 통해 에너지 절감량을 비교하는 연구이다.

기존 냉방 에너지 소요량 관련 연구는 통합냉방효율, 시뮬레이션 결과 및 측정 결과 기반 냉방 부분부하 특성을 제시하였다면, 본연구는 알고리즘을 중심으로 냉동기 관련 기술 항목에 따른 냉방 에너지 소요량 민감도 분석을 통해 에너지 절감 전략을 구축하는 접근 방법을 제시하고자 한다. 본 연구는 EN 16798-13 기준 냉방 에너지 소요량 알고리즘을 분석하고, 주요 검토 항목인 열원 온도, 실내 부분 부하율, 압축기 종류 및 제어 방식, 대수제어 그리고 외기 냉방에 따른 월별 부분부하 계수를 살펴보고 분석하고자 한다. 이를 바탕으로 공랭식 냉동기와 관련된 총 4개 항목(열원 온도, 실내 부분 부하율, 압축기 종류 및 제어 방식, 대수제어)을 대상으로 하였으며, 이에 대한 냉방 에너지 소요량 영향 및 비교 검토를 수행하였다. 이를 통해 그린리모델링 시 열원 온도를 낮추기 위한 계획적 검토, 실내 부분 부하율을 고려한 장비 용량 결정, 압축기 종류 및 제어 방식 검토 그리고 대수제어 검토 등 건물의 탄소 배출 저감을 위한 최적화 냉방설비 기술 검토에 이바지하고자 한다.

연구 범위 및 방법

검토 모델

공랭식 냉방설비 부분부하 계수 영향 인자인 4개 항목(열원 온도, 실내 부분 부하율, 압축기 종류 및 제어 방식, 대수제어)에 대한 냉방 에너지 소요량 비교 검토는 그린 리모델링을 진행한 화곡 119안전센터 건물의 2~3층 존을 대상으로 평가하였다. 해당 부위는 총 12개의 존으로 되어 있으며, 존별 냉방 에너지 요구량을 ISO 52016-1 월간법(ISO 52016-1, 2017) 기준에 따라 산정하였고, Figure 1에서 보이는 월별 냉방 에너지 요구량(QC,b)과 냉방 공급 에너지손실량(QC,ce)은 12개 존을 합산한 값이다.

건물은 24시간 365일 운영되며 해당 부위 바닥면적은 219.57㎡이다. 냉방 에너지 요구량은 연간 13,948 kWh/년, 단위 면적당 냉방 에너지 요구량은 63.5 kWh/m2·년 으로 평가되었다. 또한 최대 냉방 부하는 12.08 kW이며, 냉동기에서 공급해야 에너지 공급량(QC,out)은 식 (1)과 같이 냉방 에너지 요구량에 냉방 공급(QC,ce)·분배(QC,d)·저장(QC,s)에너지 열손실량을 합하여 산정한다.

(1)
QC,out=QC,b+QC,ce+QC,d+QC,s

화곡 119안전센터에 적용된 냉방설비는 공랭식 냉동기이며, 직팽식으로 실내에 냉열을 공급하는 방식이다. 따라서 냉방 분배·저장 에너지손실량은 없으며, 냉방 에너지 공급량은 냉방 에너지 요구량과 냉방 공급 에너지손실량의 합으로 산정되었다. 리모델링 시 적용된 공랭식 냉동기는 41.1 kW 냉방 출력에 냉방 정격 성능은 3.9W/W 제품이 적용되었으며, 이에 대한 냉방 에너지 소요량(QC,f) 결과는 Figure 1과 같다. 연간 냉방 에너지 소요량은 5,005 kWh/년, 단위 면적당 냉방 에너지 소요량은 22.8 kWh/m2·년 으로 평가되었다.

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Figure 1.

Building model (expressed in yellow) with 12 zones(Left), monthly cooling energy needs, final cooling use and cooling energy loss by control and emission (right)

EN 16798-13 기준 냉방 에너지 소요량 평가 방법

냉방 에너지 소요량은 냉방 에너지 공급량에 대해 부분부하 계수PLV (part-load value), EER 보정 계수(fEER;corr) 그리고 냉방 정격 성능(EERprod)을 고려하여 식 (2)와 같이 산정한다.

(2)
EC;gen;in=QC,outPLVfEER;corrEERprod

부분부하 계수 PLV는 실내 냉방 부하 대비 냉방 출력과 월별 냉방 시간을 바탕으로 부하율을 산정한 후, 압축기 종류 및 제어 방식에 따른 실내 부분부하 계수(fC;PL;k), 냉각탑 부분부하 계수(fhr;PL), 외기 냉방 계수(fhr;fc) 그리고 냉동기 대수 제어 계수(fC;mμlt)를 적용하여 식 (3)과 같이 산정 한다.

(3)
PLV=fC;PL,kfhr;PLfhr,fcfC;mμlt

본 연구에서는 공랭식 냉동기를 중심으로 부분부하 계수 영향을 평가하므로 실내 부분부하 계수(fC;PL;k)와 냉동기 대수제어 계수(fC;mμlt)에 따른 냉방 에너지 소요량을 비교 검토하였다. 실내 부분부하 계수는 먼저 월별 부하율(fC;PL)을 계산해야한다. 월별 부하율은 냉방 에너지 공급량(QC,out,mth)대비 냉방 출력(ΦC;gen;n)과 냉방 가동시간(tC;gen;op)에 따른 비율로 식 (4)와 같이 산정한다.

(4)
fC;PL=QC,out,mthtC;gen;opΦC;gen;n

부하율(fC;PL) 5% 이상 15% 미만에서 부하 단계 k=0.1, 15% 이상 25% 미만에서 부하 단계 k=0.2로 95% 미만까지 동일한 비율로 부하 단계 k를 결정하며, 95% 이상일 경우 부하 단계 k=1로 적용한다. 부하 단계 k및 공랭식 냉동기의 압축기 종류와 제어 방식에 따른 부분부하 계수(fC;PL;k) 는 Table 1과 같다.

Table 1.

Part-load factors fC;PL;k for air-cooled chiller systems according to EN 16798-13

Compressor Type control options Part-load stage k
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
piston
fixed 0.83 0.87 0.92 0.95 0.98 1.00 1.01 1.02 1.01 1.00
staged 0.87 1.03 1.05 1.06 1.03 1.08 1.09 1.07 1.03 1.00
scroll

fixed 0.83 0.87 0.92 0.95 0.98 1.00 1.01 1.02 1.01 1.00
staged 0.87 1.03 1.05 1.06 1.03 1.08 1.09 1.07 1.03 1.00
inverter 0.43 0.54 0.65 0.75 0.84 0.91 0.97 1.01 1.02 1.00
screw invedter 1.19 1.19 1.13 1.08 1.05 1.04 1.03 1.03 1.02 1.00
turbo inverter 1.40 1.40 1.32 1.24 1.18 1.13 1.09 1.06 1.03 1.00

EER 보정계수(fEER;corr)는 표준 시험조건 대비 실제 가동 시 평균 실외 온도와 평균 실내 온도를 바탕으로 식 (5)와 같이 산정한다.

(5)
fEER;corr=Tnutz-ΔTverd(Truck-ΔTkond)-(Tnutz-ΔTverd)Tnutz,Prod-ΔTverd(Truck,Prod-ΔTkond)-(Tnutz,Prod-ΔTverd)

Tnutz : 냉방 시 실내 온도(K)

ΔTverd : 증발기 온도 차(20 K)

Truck : 냉방 시 실외 온도(K)

ΔTkond : 응축기 온도 차(10 K)

Tnutz,Prod : 정격 시험 시 실내 온도(300 K)

Truck,Prod : 정격 시험 시 실외 온도(308 K)

대수제어 계수(fC;mμlt)는 단독 운전과 2대 이상 운전 시 부분부하 계수이며, 2대 이상운전 시 최대 냉방 출력설비와 최소 냉방 출력설비의 용량 비율이 25% 이하인 경우와 초과인 경우로 나누어 부분부하 계수가 Table 2와 같이 적용된다.

Table 2.

Multiple cooling generator factors Part-load factorsfC;mμlt for various compressors according to EN 16798-13

Number of generators Power Compressor Type
piston scroll screw turbo
1 - 1 1 1 1
2 ΦC,minΦC,max0.25 1.01 1.01 1.10 0.96
ΦC,minΦC,max0.25 1.02 1.02 1.28 0.94

연구 범위

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Figure 2.

Research scope

본 연구에서는 Figure 2와 같이 리모델링 사업을 통해 화곡 119안전센터에 설치된 공랭식 냉동기를 대상으로 총 4개의 영향 인자에 대한 냉방 에너지 소요량 분석 및 검토를 진행하였다. 먼저 설치 위치(일사 노출, 그늘진 곳, 건물 내 등)에 따른 열원 온도 변화 검토는 평균 실외 온도에 월별 –1℃에서 4℃까지의 온도 변화 발생 때 냉방 에너지 소요량 영향을 평가하였다. 두 번째는 최대 냉방 부하 대비 약 3.4배의 냉방설비가 설치되었으며, 이에 따라 월별 실내 부하율 변화가 발생하고 냉방 에너지 소요량에 영향을 미치게 된다. 최대 냉방 부하 대비 냉방설비 용량을 0%~300% 증가율로 반영 때 냉방 에너지 소요량에 대한 영향을 평가하였다. 세 번째는 압축기의 종류에 따른 냉방 에너지 소요량 변화를 평가하였으며, 마지막으로 대수 운전 적용 때 냉방 에너지 소요량에 미치는 영향을 평가하였다.

연구 내용 및 결과

열원 온도 변화

설치 환경을 고려하여 서울 월별 평균온도에 –1℃~4℃까지 변화되는 온도를 반영 시 EER 보정계수(fEER;corr)를 산정하였으며, 이를 통해 변화 온도별 반영되는 냉방성능(feer,corr×EERprod)이 Figure 3과 같이 평가되었다. 설치 위치 및 주변 환경 조치에 따른 외기온도 변화는 냉방 부하가 발생하는 7월, 8월의 경우 냉방성능에 약 15%의 영향을 미치게 된다.

냉방 에너지 소요량은 외기온도가 낮을수록 냉방성능이 향상되며 냉방이 발생하는 3월~11월 구간에 대한 외기온도 변화 영향은 평균 24%로 크게 평가되었다.

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Figure 3.

EER value according to changing temperature by installed condition

Figure 4는 외기온도 변화에 따른 냉방 에너지 소요량의 영향을 평가한 그래프이다. 리모델링 모델에 적용된 3℃ 변화 온도 대비 1℃ 낮춘 2℃ 적용 때 3.7% 냉방 에너지 소요량 절감이 가능하며, 전체 구간에서 18%의 냉방 에너지 소요량 변화폭이 가능한 것으로 평가되었다. 이는 공랭식 냉동기 설치할 때 구조물 복사 영향이 큰 곳, 일사 노출 부위에 설치할 때 냉방 에너지 소요량이 상대적으로 증가하는 것을 알 수 있다.

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Figure 4.

Cooling energy use according to changing temperature by installed condition

최대 냉방 부하 대비 대용량 장비 설치에 따른 영향

최대 냉방 부하 대비 20~30% 여유율을 고려하여 장비를 설치하는게 일반적이지만 이를 고려하지 않고 200%~400%의 증가한 냉방설비가 설치되는 경우 냉방 에너지 소요량에 대한 영향을 평가하였다. Figure 5와 같이 0% 그래프는 최대 냉방 부하(12.08 kW) 용량으로 냉방설비 설치 시 냉방 에너지 소요량을 보여주며, 300%는 최대 냉방 부하 용량 대비 300% 증가율로 47 kW 냉방 출력 장비가 설치되었을 때 냉방 에너지 소요량을 보여주고 있다. 200%와 250% 냉방 출력 장비의 경우 동일하게 평가되었으며, 7월·8월 냉방 에너지 소요량의 경우 장비 용량에 따라 각각 36%, 47%의 영향이 미치는 걸 확인할 수 있다. 특히 용량에 따른 냉방 에너지 소요량 영향이 큰 이유는 인버터제어방식의 스크롤 압축기가 적용되었기 때문이며, 앞서 Table 1에서 보이는 것처럼 부분부하 효율이 매우 나쁘게 평가된다. 이러한 이유로 스크롤 압축기를 사용하는 공랭식 냉동기의 경우 최대 냉방 부하를 반드시 검토해야 하며, 이에 적합한 장비 용량을 적용해야 한다.

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Figure 5.

Cooling energy use according to cooling power of air cooled chillers

압축기 종류 및 제어 방식에 따른 냉방 에너지 소요량 영향

공랭식 냉동기는 압축기의 종류와 제어 방식에 따라 부분 부하율이 다르게 나타난다. Figure 6은 왕복동, 스크롤, 스크류 및 터보 압축기에 대한 부분부하 효율(Table 1)을 반영하여 산출한 결과이다. 해당 결과는 최대 냉방 부하 대비 250% 증가한 냉방설비 41.1 kW 적용 시 월별 부하율이 반영된 결과이다. 50 kW 이하 공랭식 냉동기에서는 스크류 또는 터보 압축기를 사용하지 않으며, 일반적으로 스크롤 압축기가 대부분 적용된다. 해당 결과는 En 16798-13에서 제시된 압축기 종류와 제어 방식에 따른 표준값에 따라 평가한 결과이며, 실제 제품에서의 성능은 다르게 나타날 수 있다.

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Figure 6.

Cooling energy use according to compressors and control options

대수제어와 냉방 에너지 소요량 영향

Table 2에 따른 대수제어 특성값을 반영하여 냉방 에너지 소요량 결과값을 평가하였다. 단독 가동은 기존 41 kW 스크롤 압축기에 관한 결과이며, 대수제어는 동일 용량 2대가 설치된 경우(ΦC,minΦC,max0.25)와 서로 다른 용량 2대가 설치된 경우(ΦC,minΦC,max0.25)에 대해 평가하였으며, Figure 7에서 보이는 것과 같이 7월 과 8월의 냉방 에너지 소요량을 비교하면 2% 정도의 차이가 발생한다. 따라서 단독 가동 시 가장 성능이 좋지 않으며, 대수제어 운전의 경우 냉방 에너지 소요량이 1%~2% 절감되는 것을 확인 할 수 있다.

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Figure 7.

Cooling energy use according to single or multiple generators control

최적화 냉방설비 검토

Figure 8은 기존 리모델링 시 적용된 공랭식 냉방설비에 4가지 영향 인자를 최적화하여 검토한 내용이다. 최대 냉방 부하 기준 20% 증가한 냉방 출력설비 적용을 통해 34%의 냉방 에너지 소요량 절감이 가능하며, 북측 음영이 있는 곳에 공랭식 냉동기(14.1 kW)를 설치하여 5% 저감이 가능하다. 또한 기존 제어 방식을 다단제어로 바꾸어 16% 절감이 가능하며, 2대로 설치하여 냉방 에너지 소요량 1% 절감이 가능하다. Figure 8에서 보이는 것처럼 총 52%의 냉방 에너지 소요량 절감으로 평가되었다.

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Figure 8.

Cooling energy use optimization by four technologies

결 론

본 연구에서는 공랭식 냉동기의 월별 부분부하 효율에 미치는 4가지 영향 인자를 살펴보았다. 냉방 에너지 소요량에 가장 큰 영향을 미치는 영향 인자는 최대 냉방 부하 대비 적절한 냉방 출력을 가진 장비 설치이며, 약 30~40% 정도 영향을 미치게 된다. 두 번째로 영향을 크게 미치는 항목은 제어 방식으로 나타났다. 스크류 압축기 또는 터보 압축기의 경우 절감률이 크게 나타나지만, 소형 냉동기의 경우 스크롤 압축기가 대부분 사용되기 때문에 다단제어 적용 시 냉방 에너지소비량 절감이 가장 우수하게 나타났다. 세 번째 항목으로는 열원 온도이다. 공랭식 냉동기 설치 시 열원 온도가 낮아지도록 음영 요소 또는 복사열 방지 등 리모델링 시 검토를 통해 3%~7% 정도 절감이 가능하다. 마지막으로 대수제어를 통해 2% 정도의 절감이 가능한 것을 확인하였다.

Acknowledgements

이 논문은 2024년도 정보(산업통상자원부)의 재원으로 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행된 연구임(20202020800360, 기존 공공건물 에너지효율 진단 및 리모델링 기술 개발 실증).

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